CN110947935A - 一种铸锭制造设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸锭制造设备及方法，包括冷坩埚(3)，感应加热器(7)，加料装置(1)，温度传感器(11)，所述的感应加热器(7)设置在冷坩埚(3)外侧，并可沿冷坩埚(3)侧壁上下移动，所述的加料装置在冷坩埚(3)上部，向冷坩埚(3)内添加原料，所述的温度传感器(11)位于冷坩埚(3)顶部，测量冷坩埚(3)内熔池温度。熔炼过程中以粉末或颗粒状原料作为熔炼母材，通过感应加热熔化，待初始炉料熔化后，感应线圈匀速向上提升，同时均匀或间歇加入炉料，通过红外测温调控加料速度，最终获得偏析小，洁净度高，表面质量良好的铸锭。与现有技术相比，本发明具有生产效率高，设备投入及运行成本低，安全系数高，环境友好等特点。

Description

一种铸锭制造设备与方法

技术领域

本发明涉及一种冶金设备和工艺，具体是指用于制备高质量铸锭的设备和方 法。

背景技术

大多数材料成型前都会经历液固转变过程形成铸锭，然后经过轧制，锻造，热 处理等制成各种型材。铸锭的质量直接关系到材料的质量和性能，例如偏析，夹杂， 晶粒不均匀等铸造缺陷在后续加工过程中很难去除。以钢为例，目前大部分钢材都 是以连铸的形式生产，但对于一些小批量或不适于连铸的大尺寸及特殊钢钢锭依然 要采用模铸的方法生产，模铸一般是把熔炼处理后的钢水通过中间包直接注入铸锭 模形成，钢水在钢锭模中由表及里自由凝固，由于凝固速率的差异及选分结晶的原 因，会在钢锭中形成缩孔，疏松，偏析以及表面裂纹等缺陷，造成后续加工中材料 的大量浪费。

随着技术进步，人们对铸锭质量提出了更高要求，包括细晶化，纯净化和均质 化等。细晶化主要是要求铸锭组织均匀细小，这就要模具具有比较大的冷却能力。 纯净化指的是夹杂少，硫磷等有害元素含量低，对于有些钢种还要求低的氧氮氢等 元素含量。均质化指的是钢锭中各部位合金元素偏析程度小，整体成分均匀。为此 人们开发了多种特种冶金技术，如真空自耗电弧熔炼与电渣重熔技术，其中以电渣 重熔工艺应用最为广泛。电渣重熔技术可以通过渣洗的方式去除夹杂及硫磷等有害 元素，并且在水冷铜模的作用下实现逐层凝固，没有缩孔疏松等铸造缺陷，铸锭致 密纯净，成分均匀，是生产优质特殊钢的必备手段。但电渣重熔必须先制备自耗电 极，工艺复杂且能耗高。冷坩埚熔炼是近年来出现的一种新兴技术，以分瓣式水冷 铜坩埚为容器，采用中高频形式加热，可以用来熔炼高熔点，高活性金属或非金属。 中国专利CN102168919B介绍了一种用冷坩埚制备高纯金属的方法。目前冷坩埚 技术还处于开发当中，尚未得到规模化应用。以上特种冶金方法为高性能材料开发 提供了有效手段，但大都存在成本高，效率低等问题。

为了解决以上问题，本发明基于冷坩埚技术原理，设计了一种短流程，低成本 制备高质量铸锭的设备与工艺。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种融合熔炼与 凝固为一体，极短流程的铸锭制造设备与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铸锭制造设备，其特征在于，包括冷坩埚，感应加热器，加料装置，温度传感器，所述的感应加热器设置在冷坩 埚外侧壁上，并可沿冷坩埚侧壁上下移动，所述的加料装置连接冷坩埚，向冷坩埚 内添加原料，所述的温度传感器插入冷坩埚内，测量冷坩埚内熔池温度。

所述的冷坩埚由多根直型紫铜管或不锈钢管按环形排列固定并相互连接形成 筒状容器，各紫铜管或不锈钢管的长径比大于2，相邻两根紫铜管或不锈钢管底部 或顶部连通，构成U型或倒U型冷却水回路，使冷却水从冷坩埚底部或者顶部一 端进出。

相邻两根紫铜管或不锈钢管之间留有间隙，间隙宽度占冷坩埚内径2％-50％， 且间隙内填充有耐火绝缘材料。

所述冷坩埚设计为两瓣或多瓣对开式结构，固定在底座上，可以侧向打开。

所述的冷坩埚外套有密封套管，使冷坩埚内形成密封腔体，感应加热器位于密 封套管外。

所述的感应加热器采用与冷坩埚分离式结构，通过夹持装置夹持感应加热器沿坩冷坩埚上下平稳滑动。

所述的冷坩埚上设有进气口和真空接口，分别与气氛保护及真空装置连接，向 冷坩埚内抽真空或输入保护气体。

所述的温度传感器为红外测温仪或成像仪，由冷坩埚顶部测量熔池表面温度， 以此控制送料速度。

采用所述设备进行铸锭制造的方法，其特征在于，该方法同时集熔炼与凝固为 一体，实现极短流程的原材料冶炼与铸锭成形，原料为粉碎态废料或新料，装入冷 坩埚后由感应加热器通电加热熔化，然后随着感应加热器匀速上升的同时均匀加入 炉料，最终形成完整铸锭，具体包括以下步骤：

1)原料经破碎，混合后形成尺寸及成分均匀的颗粒，必要时进行混粉，压 球等处理；

2)在冷坩埚底部装入块体原料及渣料，感应加热器通电加热；

3)待上述炉料熔清后从冷坩埚顶部匀速或间断加入步骤(1)中备好的原 料，加入速度根据温度传感器测量的熔池温度调控，同时感应加热器匀速提升，加 热功率保持稳定；

4)熔炼完成后移去感应加热器，打开冷坩埚，取出铸锭。

步骤(1)中原料为铸锭新料或废料的粉末或颗粒状，加入保护渣，混合均匀后 送入熔池；原料为粉末时采用造粒或压球方法提高流动性与均匀性，烘干后备用， 原料的颗粒粒径为1～30mm；

步骤(2)冷坩埚底部装入块体原料及渣料后通过真空装置抽真空，或输入保 护气体，通过控制气氛，实现铸锭在大气，真空，惰性或特定气氛下熔炼与凝固；

步骤(3)在感应加热器融化原料的同时，通过冷却水对坩埚壁的强制冷却， 使冷坩埚下部熔炼完毕的炉料凝固；随着感应加热器移动和原料不断加入，实现材 料在冷坩埚中逐层熔炼与凝固；

步骤(3)所述的熔池温度高于原料的熔点，原料填充速率由温度传感器反馈， 通过控制加料速度，保证熔池表面温度稳定，从而达到铸锭凝固速度均匀，实现组 织，成分，性能的一致性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)物料熔炼与凝固同时在冷坩埚中进行，实现最短流程冶炼，大幅度降低 能耗与设备投资。

(2)炉料可用粉末或颗粒状废料或新料，来源广泛，成本低。

(3)对保护渣要求低，选择范围广，环境污染小。

(4)铸锭逐层凝固，有利于杂质上浮和气体逸出，区域熔炼有利于抑制溶质 偏析，最终获得少偏析，高洁净，无缩孔疏松，表面质量良好的铸锭。

(5)本发明中感应线圈置于真空室之外，大幅度简化了真空室设计，减小设 备投资并提高抽气速率，有利于增大真空冶炼铸锭的尺寸并提高生产效率。

(6)对于同等重量的铸锭，本发明中熔区体积小，电源功率低，避免在极端 情况下出现灾害性事故，安全性较高。

附图说明

图1为本发明冷坩埚部分结构示意图；

图中标记如下：1进料口；2进气口；3冷坩埚；4密封套管；5耐火底座；6 铸锭；7感应器；8熔体；9原料；10真空接口；11温度传感器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所述，本发明涉及一种铸锭制造设备，其特征在于，包括冷坩埚3，感 应加热器7，加料装置1，温度传感器11，所述的感应加热器7设置在冷坩埚3外 侧，并可沿冷坩埚3侧壁上下移动，所述的加料装置连接冷坩埚3，向冷坩埚3内 添加原料，所述的温度传感器11位于冷坩埚3顶部，测量冷坩埚3内熔池温度。

所述的冷坩埚3由多根直型紫铜管或不锈钢管按栅栏形排列，相互连接后固定 形成筒状坩埚，坩埚的长径比大于2，相邻两根紫铜管或不锈钢管底部或顶部连通， 构成U型或倒U型通水回路，使冷却水从冷坩埚3底部或者顶部一端进出。相邻 两根紫铜管或不锈钢管之间留有间隙，间隙宽度占冷坩埚3周长的2％-50％，且间 隙内填充有耐火绝缘材料。为方便铸锭出模，冷坩埚设计为两瓣或多瓣相互独立的 对开式结构。所述的感应加热器7采用与冷坩埚3分离式结构，通过夹持装置使感 应加热器7沿坩冷坩埚3上下平稳滑动。所述的冷坩埚3上部设有进气口2和真空 接口10，分别与气氛保护与真空装置连接，向冷坩埚3内抽真空或输入保护气体。

所述的冷坩埚3外套有密封套管4，使冷坩埚3内形成密封腔体，感应加热器 7位于密封套管4外，在大气下熔炼时，可不添加密封套管。

所述的温度传感器11为红外测温仪或成像仪，由冷坩埚3顶部测量熔池表面 温度，以此控制送料速度。

采用该设备制备金属铸锭是同时集熔炼与凝固为一体，实现极短流程的原材料冶炼与铸锭成形。原料为粉碎态废料或新料，装入坩埚后由感应器通电加热熔化， 随着感应器匀速上升的同时均匀加入炉料，最终形成完整铸锭。下面通过几个具体 实施例进行说明。

实施例1：

以GCr15轴承钢为例，将海绵铁粉，高纯增碳剂，高碳铬铁粉，少量的硅铁， 锰铁粉以及渣料等均匀混合，保证原料成分符合GCr15轴承钢成分要求，渣剂占 总质量的2～10％，造粒、干燥后备用；在冷坩埚3中放入少量GCr15轴承钢废钢 与保护渣，通过进气口2向套有密封层4的冷坩埚3内通入保护气体，启动感应加 热器7加热，待GCr15轴承钢废钢加热熔化后，通过夹持装置夹持感应加热器7 匀速向上运动，同时送料机构将原料送入熔池，随着熔池的不断上升，下部熔体不 断凝固，最终形成完整铸锭。熔炼完成后移去感应加热器7，打开坩埚，取出铸锭。 将所得铸锭进行检测，发现其中的非金属夹杂小于2级，表面光滑，无明显可见缺陷，内 部组织致密，无缩孔、疏松。综合能耗小于电渣重熔工艺。

实施例2:

304不锈钢铸锭制造方案，将304不锈钢废钢(钢屑，冲裁废料等)经过除油， 破碎，混合，压球等工序形成成分均匀的颗粒或球块等炉料，干燥后备用；熔炼前 在冷坩埚3中装入一定量304不锈钢废钢和保护渣，通入保护气体，启动感应加热 器7加热，待物料熔清后，加入前述备好的炉料，，通过夹持装置夹持感应加热器 7匀速向上运动，通过温度传感器11控制炉料加入速度，保持熔炼过程稳定。待 感应线圈到达坩埚顶部，保温一段时间后移走线圈，打开坩埚，取出铸锭。将所得 铸锭进行检测，发现其中的非金属夹杂小于2级，表面光滑，无明显可见缺陷，内部组 织致密，无缩孔、疏松，综合能耗小于电渣重熔工艺。

实施例3：

201不锈钢铸锭制造方案，将201不锈钢废钢(钢屑，冲裁废料等)经过除油， 破碎，混合，压球等工序形成成分均匀的颗粒或球块等炉料，干燥后备用；熔炼前 在冷坩埚3中装入一定量201不锈钢废钢和保护渣，通入保护气体，启动感应加热 器7加热，待物料熔清后，加入前述备好的炉料，通过夹持装置夹持感应加热器7 匀速向上运动，通过温度传感器11控制炉料加入速度，保持熔炼过程稳定。待感 应线圈到达坩埚顶部，保温一段时间后移走线圈，打开坩埚，取出铸锭。将所得铸 锭进行检测，发现其中的非金属夹杂小于2级，表面光滑，无明显可见缺陷，内部组织 致密，无缩孔、疏松，综合能耗小于电渣重熔工艺。

Claims (10)

1.一种铸锭制造设备，其特征在于，包括冷坩埚(3)，感应加热器(7)，加料装置，温度传感器(11)，所述的感应加热器(7)设置在冷坩埚(3)外侧，并可沿冷坩埚(3)侧壁上下移动，所述的加料装置连接冷坩埚(3)，向冷坩埚(3)内添加原料，所述的温度传感器(11)位于冷坩埚(3)顶部，测量冷坩埚(3)内熔池温度。

2.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，所述的冷坩埚(3)由多根直型紫铜管或不锈钢管按栅栏形排列，相互连接后固定形成筒状坩埚，坩埚长径比大于2，相邻两根紫铜管或不锈钢管底部或顶部连通，构成U型或倒U型通水回路，使冷却水从冷坩埚(3)底部或者顶部一端进出。

3.根据权利要求2所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，相邻两根紫铜管或不锈钢管之间留有间隙，间隙宽度占冷坩埚(3)内径2％-50％，且间隙内填充有耐火绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，冷坩埚(3)为两瓣或多瓣对开式结构，固定在底座上，可以侧向打开。

5.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，所述的冷坩埚(3)外套有密封套管(4)，使冷坩埚(3)内形成密封腔体，感应加热器(7)位于密封套管(4)外。

6.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，所述的感应加热器(7)采用与冷坩埚(3)分离式结构，通过夹持装置沿冷坩埚(3)上下平稳滑动。

7.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，所述的冷坩埚(3)上设有进气口(2)和真空接口(10)，分别与气氛保护与真空装置连接，向冷坩埚(3)内抽真空或输入保护气体。

8.根据权利要求1所述的一种铸锭制造设备，其特征在于，所述的温度传感器(11)为红外测温仪或成像仪，由冷坩埚(3)顶部测量熔池表面温度，以此控制送料速度。

9.一种采用权利要求1所述设备进行铸锭制造的方法，其特征在于，该方法同时集熔炼与凝固为一体，实现极短流程的原材料冶炼与铸锭成形，原料为粉碎态废料或新料，装入冷坩埚(3)后由感应加热器(7)通电加热熔化，然后随着感应加热器(7)匀速上升的同时均匀加入炉料，最终形成完整铸锭，具体包括以下步骤：

(1)原料经破碎，混合后形成尺寸及成分均匀的颗粒；

(2)在冷坩埚(3)底部装入块体原料及渣料，感应加热器(7)通电加热；

(3)待上述炉料熔清后从冷坩埚(3)顶部匀速或间断加入步骤(1)中备好的原料，加入速度根据温度传感器(11)测量的熔池温度调控，同时感应加热器(7)匀速提升，加热功率保持稳定；

(4)熔炼完成后移去感应加热器(7)，打开冷坩埚(3)，取出铸锭。

10.根据权利要求9所述的铸锭制造的方法，其特征在于，步骤(1)中原料为新料或废料的粉末或颗粒状，加入保护渣，混合均匀后送入熔池；原料为粉末时采用造粒或压球方法提高流动性与均匀性，烘干后备用，原料的颗粒粒径为1～30mm；

原料破碎的过程中还可进行混粉和/或压球处理；

步骤(2)冷坩埚(3)底部装入块体原料及渣料后通过真空装置抽真空，或输入保护气体，通过控制气氛，实现铸锭在大气，真空，惰性或特定气氛下熔炼与凝固；

步骤(3)在感应加热器(7)熔化原料的同时，通过冷却水对坩埚壁的强制冷却，使冷坩埚(3)下部熔炼完毕的炉料凝固；随着感应加热器(7)移动和原料加入，实现材料在冷坩埚(3)中逐层熔炼与凝固；

步骤(3)所述的感应加热器(7)加热温度高于原料的熔点，原料填充速率由温度传感器(11)反馈，通过控制加料速度，保证熔池表面温度稳定，从而达到铸锭凝固速度均匀，实现组织，成分，性能的一致性。

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